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PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II
CURSO 2015 Responsable Prof. Titular G. Pic
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AREA PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGA
Responsable del Area Prof. Titular G. Pic
Asignaturas del Area
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS I (Prof. Pic)
(4to ao 1er cuatrimestre)
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II (Prof. Pic)
Profs. Adjunto H. Menzella y D. Romanini
(4to ao 2do cuatrimestre)
PROYECTOS BIOTECNOLOGICOS (Prof. D. Romanini)
(5to ao 1er cuatrimestre)
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ACREDITACION DE LA ASIGNATURA: lograr la condicin de regular
- asistencia obligatoria a las clases tericas,
- asistir y aprobar las tareas de aula y Laboratorios segn reglamento de T.P.
-- aprobar el parcial /o su recuperatorio.
Alumnos que deseen promover totalmente la asignatura:
Rendirn la parte de la Teora, el da que se tome el parcial recuperatorio.
No podrn promover aquellos alumnos que deban recuperar el parcial.
ESTOS ALUMNOS DEBERN REDIR EXAMEN FINAL EN LOS TURNOS
CORRESPONDIENTES
4
MATERIAL PARA ESTA ASIGNATURA
1- Power Point de cada Clase Terica (en web)
2- Gua de estudio y Problemas ( en web)
3- Apunte sobre temas que da cada profesor (consultar a
cada Profe.)
Como hay feriados fijos y espontneos, para las clases
perdidas consultar con el docente a cargo de cada comisin
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PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
MICROBIOLOGIA
INDUSTRIAL
(fermentacin)
PROCESOS DE SEPARACION
(downstream processing)
Molcula de inters
Los Procesos Biotecnolgicos hoy
6
Objetivos de la Asignatura
- Introducir al alumno en el escalado del las OU de mezclado
- Introducir al alumno en la teora de los reactores.
- Introducir al alumno en la teora de los bioreactores, sus
ecuaciones, clasificacin. Aprender a manejar un bioreactor de
escala de laboratorio.
- Introducir al alumno en los Procesos Biotecnolgicos que
emplean microorganismos y sus condiciones de manejo y
desarrollo.
- Presentar y discutir el desarrollo de algunos procesos
biotecnolgicos actuales de importancia.
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Escalado en el Mezclado
Reactores Qumicos
Bioreactores y
Fermentadores
Micro organismos
Procesos Biotecnolgicos de importancia actual
V, CA
Fermentacin Slida en
estado slido
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II
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La Operacin Unitaria de Mezclado
Curso 2015
Tericos Profesor G. Pic
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?
Escalado del Mezclado
Mezclado en el laboratorio
10
El mezclado
OBJETIVO: obtener una fase homognea (formacin de una
solucin) o lograr la dispersin de una fase en otra.
PARA QUE SE EMPLEA EL MEZCLADO EN LOS BIOPROCESOS?
1- Obtener una solucin de dos compuestos solubles.
2- Dispersar un gas en una fase lquida
3- Mantener partculas en suspensin
4- Dispersar dos fases inmiscibles entre si (para hacer un
reparto)
5- Facilitar la trasmisin de calor entre dos fases separadas
por una pared.
6- Obtencin de una emulsin
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ENERGA
El trabajo mecnico se emplea
para mover la fase lquida
(agitacin)
COMO SE HACE UN MEZCLADO ?
POR AGITACION ENTREGANDO ENERGIA EN FORMA DE TRABAJO
MECANICO
Recordando conceptos de la Fisica de los Fluidos
W : trabajo
Potencia (P)
MOTOR
12
La velocdad de disolucin del azucar depender:
De la velocidad con que se agite (cantidad de trabajo mecnico entregado)
De la viscosidad y densidad de la fase liquida
Del volumen total del sistema
Agregando miel al te
LA EXPERIENCIA DIARIA NOS MUESTRA.. !!!!!!!!!
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Movimiento de fluidos Dinmica de los fluidos
Nmeros adimencionales (definidos por la Fsica de los fluidos)
Nmero de Reynolds (Re) relaciona las propiedades fsicas de un fluido
vDRe
D dimetro del conducto [L]
V velocidad promedio del liquido [L/ t]
Densidad del liquido [kg/ L
Viscosidad del liquido [m/ L t ]
Todas la molculas se mueven con igual
velocidad
Hay cambios bruscos en la velocidad de las
molculas
Re < 2000 flujo laminar Re > 4000 flujos turbulentos Re >>2 10 6
Agitacin de un liquido en un tanque
En la agitacin existen tres tipos de flujos: radial, axial y tangencial.
radial axial tangencial
El flujo radial y el flujo axial producen mezclado; mientras que el flujo tangencial
no, todo el conjunto gira sin mezclarse produciendo un efecto de vrtice, es un flujo
no deseable que se trata de evitar.
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Flujo circular Produce vrtice
No se logra agitacin cuando:
EL MOVIMIENTO ES LAMINAR !!!!!
Mezclado por
corriente de
circulacin.
Tiempo de
mezclado largo
Mezclado por corriente de
circulacin
Proceso lento
MACROMEZCLADO
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
Ruptura de remolinos
MICRO MEZCLADO
REMOLINOS DE
TAMAO
MINIMO.
Remolinos de
Kolmogorov
16
Poca agitacin remolino grande
Con agitacin
Hay difusin
Remolino chico
4/13
u
Escala de mezcla o escala de Kolmogonov o
escala de turbulencia
tamao de los remolinos mas pequeos
= / Viscosidad cinemtica del medio
Velocidad local de disipacin de energa
turbulenta/unidad de volumen
Cmo se favorece un mezclado turbulento ?
Empleando rodetes !!!!!!!
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Rodete Rushton Su dimetro debe ser 1/3 del dimetro del tanque
LOS RODETES
L
W
DR
DT
DRL
W
DR
25,02,0 RR D
L
D
W
usualesmedidas
RushtonTurbina
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La turbina o rodete Rushton es el modelo mas difundido, genera un flujo radial
L
W
DR
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Deflectores
Tanque agitado con rodete,se
forma un regimen no turbulento: no
hay mezcla
Tanque agitado con rodete y con deflectores
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AGITACION DE UN FLUIDO CON Y SIN DEFLETORES
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Numero de Potencia (Np): relaciona la potencia aplicada (P) a un rotor con variables fsicas
del fluido.
Np numero de potencia, es una constante para cada rodete
P potencia aplicada al rotor (trabajo por unidad de tiempo)
Densidad del liquido, Na velocidad de rotacin del rotor, D dimetro del rotor
53
RDNaNpP
Cmo se caracteriza un rodete ?
Con los nmeros adimencionales: para flujos turbulentos
Nmero de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia
Nmero de Reynolds para el rodete Rushton
2)Re( R
DNar
Na velocidad del rodete, vueltas /unidad de tiempo
DR dimetro del rodete, y viscosidad y densidad de la solucin
Nmero de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante
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Qu dimensin debe tener el rodete ?????
TR DD3
1
DR dimetro del rodete DT dimetro del tanque
24
3
3
2
2
2
4
27
3.3
3
.2
3
3
1
R
R
RR
RLT
TR
TTTR
DV
DV
DDV
DHH
HD
V
HRVDD
RushtonTurbina
Relacin entre el volumen del liquido a agitar y el
dimetro del rodete
ESCALADO DE LA AGITACION
Como se relaciona el tamao del rodete con el volumen (V) que se quiere agitar ?
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La ecuacin
Indica que el volumen a agitar debe ser proporcional a Dr 3.
Y condiciona el dimetro del tanque. Aparece la primera relacin de escalado
en el mezclado
3
RDV
V igual es los dos recipientes
cual seleccionamos ?
26
El principio de similaridad
hace referencia a la relacin que existe entre el tamao de los sistemas fsicos, siendo un principio bsico en el escalamiento de los procesos qumicos.
Qu similaridades hay?
Fundamento terico del escalado
Geomtrica
Cintica
Dinmica
Trmica
Qumica
?
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1 L
1000 L
D x 1000
D x
D x 10
D x
Criterio de escalado SIMILITUD GEOMETRICA vs PRACTICIDAD
NO VIABLE
NO VIABLE
VIABLE No se mantiene la
similitud, Sistema Viable
!
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Como se define el volumen de un tanque agitado?:
DB
DB dimetro deflector
HT altura tanque
HL altura liquido
DR dimetro rodete
DT dimetro tanque
211,008,08,07,0 L
T
T
B
T
L
D
H
D
D
H
H
Valores usualmente empleados
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Ejemplo: un mezclador o fermentador de 2000 L
Como se define el volumen de un mezclador ?:
233,01,0
2000
T
T
T
R
T
B
D
H
D
D
D
D
LVValores recomendados de las
variables geomtricas
mD
mmmV
D
DD
mLV
DHonese
HD
V
T
totalT
TT
total
TT
TT
total
1,1
3,142.2.2
.22
22000
2sup
.2
3 33
3
3
3
3
2
3
2
30
1,0
36,01,1.33,033,0
2,2)1,1(.21,1
B
TR
TT
D
mmDD
mmHmD
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Ya seleccione el rodete y
cuanto tiempo debo esperar para que
se complete el mezclado??????
1 minuto ???
1 hora ??
1 semana ???
1000 aos ????
Como se calcula??????
L
W
DR
Detector
32
El tiempo de mezcla ( Tm ): tiempo necesario para lograr que una variable fsica del sistema sea homognea en toda su masa
De qu depende ???: volumen del sistema,
viscosidad y densidad de la solucin,
tamao del rodete de agitacin
la velocidad de agitacin
L
W
DR
Detector Trazador:
cido o base, colorante, otro soluto,
calor, etc
Variable a medir:
temperatura, conductancia inica, pH,
etc.
Cmo se determina ?
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El tiempo de mezcla ( Tm ) : tiempo necesario para lograr que una variable fsica del sistema sea homogenea en toda su masa
depende de: volumen del sistema,
viscosidad y densidad de la solucin,
tamao del rodete de agitacin
la velocidad de agitacin
L
W
DR
Detector Trazador:
cido o base, colorante, otro soluto,
calor, etc
Variable a medir:
temperatura, conductancia inica, pH,
etc.
Cmo se determina ?
34
El resultado obtenido de la experiencia ser
tiempo
0 2 4 6 8 10 12 14 16
con
cen
traci
n d
e m
arc
ad
or
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Tm
Tiempo de mezcla: tiempo
necesario para que se adquiera
la homogeneidad de las
variables fsicas
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Para un rodete cualquiera, su Potencia (P)
P = f (Na, D, geometra del rodete, densidad y viscosidad del fluido, etc.)
Np = f (Re) se demuestra experimentalmente
(depende del rodete y el tanque de agitacin)
El numero de vueltas que el rodete debe dar para alcanzar el Tm ser:
Na. Tm
Na: nmero de vueltas /minuto
Se demuestra que en un tanque agitado, con deflectores, por una turbina
Rusthon ser:
3
5,1.
RD
VTmNa
Si DR aumenta
El numero de vueltas disminuye,
Si V (volumen) aumenta el nmero de vueltas
aumenta
53
RDNaNpP
36
F uerza mec nic a
F uerza del fluido (vis c os idad) opues ta a la fuerza mec nic a
Fuerza mecnica >>> Fuerza viscosa
Conclusin El trabajo mecanico (W) para hacer girar un rodete depende de :
(Na, tipo y geometra del rodete, densidad y viscosidad del fluido, placas
deflectoras, etc.)
53
RDNaNpP
2)Re( R
DNar
Todas estas variables fsicas son
medibles, bajo las condiciones de
trabajo del sistema
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Relacin entre los numeros de potencia y Reynolds, tanque agitado con defletores
cteD
VTmNa
R
3
5,1.
Si aumenta Na => aumenta P (aumenta el costo) 53
RDNaNpP
Zona de mezclado
2)Re( R
DNar
38
cteD
VTmNa
R
3
5,1.
2)Re( R
DNar
Frmulas de clculo para tener en cuenta
Permite calcular el tiempo de mezclado y/o el numero
de vueltas por minuto del rotor, para un flujo turbulento
Permite calcular el numero de vueltas por minuto del
rotor, para un flujo turbulento conociendo la viscosidad y
densidad del liquido.
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1- Sistema de agitacin
2- Sistema de suministro de oxigeno (#)
3- Sistema de control de espuma
4- Sistema de control de temperatura y pH
5- Puertos de entrada y salida de muestra
6- Sistema de esterilizacin (#)
Cmo esta formado un tanque agitado ?
Vidrio Pyrex o Acero
inoxidable
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1. Sistema de control de pH
Acido
Base
Electrodo
Bombas
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2. Sistema de control de temperatura
Circulacin de agua
proveniente de un
termostato
En fermentadores de volmenes menores 1 a 5 L el calentamiento es
elctrico, controlado por PC
42
Qu CONSECUENCIAS PRODUCE ?
Disminucin del volumen del lquido en el interior
del biorreactor si la espuma sale por la salida
del gas agotado.
Contaminacin microbiolgica del bioproceso si la
espuma alcanza a salir.
Disminucin de la actividad biolgica del bioproducto
si posee propiedades tensoactivas
Porqu se forma espuma?:
Empleo de detergentes en el buffer
Adicin de otras sustancias tensoactivas: protenas, sustancia antipticas
3. Sistema de control de espuma:
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Burbuja
aire
Las protenas se disponen en la interfase aire-liq.
Deshidratacin Desnaturalizacin
SOLUCION
N D
Como se disminuye la formacin de espuma ?
1. Control de la velocidad del rodete
2. Control en la Velocidad de burbujeo de oxigeno u otro gas
3. Empleo de anti espumantes
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Escala HLB
antiespumantes
Dimetilpolixiloxano
10 mg/kg
Dixido de silicio amorfo
10 mg/kg
Polidimetilsiloxano
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Un antiespumante ideal debe tener las siguientes propiedades:
Debe dispersarse y tener una accin rpida sobre la espuma.
Debe ser activo a bajas concentraciones No debe ser metabolizado por el microorganismo. No debe ser txico para el microorganismo, humanos ni otros animales.
No debe alterar la extraccin y purificacin del producto. Costo. No debe tener efecto en la transferencia de oxgeno. Debe ser estable ante procesos como la esterilizacin.
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clula
burbuja
clula
burbujaaire
liquido
Estallido de la burbuja
Ruptura celular
AGITACION DE UN LIQUIDO CON CELULAS EN SUSPENSIN
DAO POR BURBUJAS
Bioreactores agitados: ruptura por burbujas, formacin de espumas
Aumento velocidad de agitacin. Burbujas grandes mayor dao
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METODOLOGIA PARA DISMINUIR EL DAO POR BURBUJA
AUMENTAR LA VISCOSIDAD DEL MEDIO.
- Albmina
- Pluronic P 68: Polioxido de etileno y propileno
Como funcionan ?
Estallido de la burbuja
Ruptura celular
CLULA CLULA
+ Pluronic 68
Las Clulas tienden a escapar
48
Ya resolvimos:
1- Tamao del rodete
2- Tiempo de mezclado
tiempo
0 2 4 6 8 10 12 14 16
con
cen
traci
n d
e m
arc
ad
or
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Tm
Qu falta ??
3- Camino de cmo hacer el escalado
Tericos 2015 PB II Prof. Pic LOS CAMINOS PARA ESCALADO
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CAMINOS PARA ESCALAR LA OPERACIN UNITARIA
DE MEZCLADO
El tiempo de mezcla ( Tm ) : depende
de:
volumen del sistema,
viscosidad y densidad de la solucin,
tamao del rodete de agitacin
la velocidad de agitacin
Muchas variables:
Se juntan todas en los nmeros adimencionales :
Np y Re
53
RDNaNpP 2
)Re( RDNa
r
Pasos para el escalamiento de tanques agitados
Variables geomtricas utilizadas para el escalamiento
Dimetro del tanque, altura til del tanque, dimetro del rodete
4
1 L
1000 L
D x 1000
D x
D x 10
D x
Criterio de escaladoSIMILITUD GEOMETRICA vs PRACTICIDAD NO VIABLE
NO VIABLE
VIABLENo se mantiene la similitud, Sistema Viable
!
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Criterios utilizados para determinar las variables
operacionales en el escalamiento
Tanque agitado
Tiempo de mezclado, relacin de potencia
(P/V),
Nmero de vueltas del rodete.
Nmero de Reynols .
Bio fermentador
Caudal de aireacin, etc.
52
A relacin de potencia (P/V) constante: no se puede emplear
para lquidos altamente viscosos. 30% de los procesos
emplean este camino
COMO HACER EL ESCALADO ?
Mantener constante el coeficiente de transferencia de masa
KL: esto se emplea en un fermentador cuando hay que
mantener constante la transferencia de oxigeno
Mantener constante el numero de vueltas del agitador (Na
cte) emplea un 20% de los procesos
Mantener constante el tiempo de Mezclado ( Tm) (un 20 %
de los procesos)
Mantener constante el numero de Reynolds
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5
1000
3
10001000
5
1
3
11
LR
LR
DNaNpP
DNaNpP
1) Escalado a relacin de potencia constante (P/V) = cte
Criterio muy usado en sistemas de baja viscosidad
L
L
L
L
V
P
V
P
1000
1000
1
1
reemplazando
LL VV 11000 .1000
1000
15
1
5
1000
3
1000
1
LR
LR
La
La
D
D
N
N
La relacin de potencia debe ser la misma para 1L y
1000L
Se supone que se aumenta 1000 veces el volumen
LRLR DD 1000110
Se aumenta 10 veces el
dimetro del rotor en el
escalado
8,3
6,4.
1000
110
1
1000
10001
5
1
1
3
1000
1
La
La
LaLa
LR
LR
La
La
NNo
NN
D
D
N
N
El numero de vueltas del rotor para el sistema 1000 L debe
disminuir en 3,8 veces respecto del tanque de 1 L , para que
P/V se mantenga constante
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2. Mantener constante el numero de vueltas del agitador
(Na cte) se emplea un 20% de los procesos
Se mantiene constante el numero de vueltas del rodete para 1 L y para
1000 L
Entonces de se deber modificar el DIAMETRO DEL ROTOR
53
RDNaNpP LL
L
L
V
P
V
P
1000
1000
1
1
REEMPLAZANDO
LlR
l
LR
l
lRDD
V
D
V
D11000
1
5
1000
1
5
10,4
1000
El dimetro del rotor para el tanque de 1000L debe ser 4
veces mayor que el de 1 L para mantener el numero de
vueltas constantes
3- Mantener constante el numero de Reynolds
2)Re( R
DNar
Se supone que la viscosidad es cte
Se supone que el dimetro del rotor se escala 10
veces
LLaLa NN
111000100
1
El numero de vueltas del rotor debe
disminuir
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1000 L1 L
Escalado a Tm constante: al aumentar el volumen del sistema, el recorrido que
realiza el fluido es mayor y por lo tanto la velocidad del liquido deber ser mayor
para mantener el mismo Tm.
4- Mantener constante el tiempo de Mezclado (
Tm) (un 20 % de los procesos)
58 )19(
:
)(
3
32
53
R
RR
R
DV
querecordando
NaDNaDP
DNaP
)20(
2
3
2
det:
)()60
2(
det
1
R
RT
DNav
DDr
Na
erodeltiempodeunidadporvueltasdenumeroNa
sRPM
angularfrecuencia
erodelradioelrsiendorv
La velocidad de rotacin (v) de un rodete es:
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59
)21(2
2
53
vV
P
VNavP
DNaP R
53
RDNaNpP
La ecuacin para la potencia se puede re escribir como:
Escalamiento
1L 1000 L
Mezclador que usa un rodete Rushton
Quiero mantener el Tm igual a 1 L y a 1000 L
en cuanto deber aumentar Na ?
LL VV 11000 .1000
60
El dimetro debe ser 10 veces mayor !!!
El recorrido deber aumentar 10 veces, para mantener el mismo valor
de tiempo de mezclado
ALGO IMPOSIBLE
LL vv 11000 .10
Si el dimetro aumenta 10 veces, el recorrido debe aumentar lo mismo
AB
Tiempo de recorrida constante,
Velocidad B >> Velocidad A
La velocidad del rodete debe aumentar 10 veces !!!!!!!!
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61
LL
LL
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
PP
VVv
v
V
P
V
P
vV
P
vV
P
10001
110002
1
1
1000
1000
1
1
2
1
1000
1000
12
1
1
000.100.
.1000.100
.10
)21(
qu ocurre con la relacin de potencia (P/V) ?
La conclusin final es que es muy difcil mantener el tiempo de mezclado
constante durante el escalado. Mantener el Tm constante en el escalado es un
criterio muy poco usado
Imposible de lograr por problemas
tcnicos !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Aplicando la relacin de potencia / volumen
a cada sistema (P/V)
Nivel de agitacin P/V en kW/1000L
Bajo 0,2-0,6
Moderado 0,6-1
Alto 1-4
Muy alto >4
Requerimientos de potencia de agitacin
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VARIABLE LAB 20 L 500 L
1 L
DR 3 cm ? ?
P/V 1
Na 1
Re 1
Tm 1
Un tanque agitado de laboratorio conteniendo 1 L y un rotor Rushtom de 3 cm es
escalado a planta piloto. Suponiendo que las variables dinmicas valen la unidad
bajo esa condicin, calcule que valores adquirirn a escala piloto de 20 L y 500 L.
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